Les organismes vivants produisent une myriade de produits naturels qui peuvent être utilisés dans la médecine et la thérapeutique modernes. Les bactéries et autres microbes sont devenus la principale source de produits naturels, y compris une famille croissante appelée peptides synthétisés par ribosome et modifiés après la traduction, ou RiPP. Les laboratoires de Douglas Mitchell (MMG), professeur de chimie John et Margaret Witt, et Huimin Zhao (CABBI/BSD/GSE/MMG), titulaire de la chaire Steven L. Miller de génie chimique et biomoléculaire, à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign ont ont travaillé en tandem pour identifier et analyser de nouveaux RiPP qui pourraient être de bons candidats pour le développement de médicaments et de thérapies.
« Par rapport à d’autres classes de produits naturels tels que les alcaloïdes, les terpènes ou les polycétides, les RiPP sont encore sous-explorés, en partie parce que leurs groupes de gènes biosynthétiques sont assez petits et ont souvent été négligés dans le passé », a déclaré Zhao. « Nous avons donc décidé de développer de nouvelles technologies pour découvrir de nouveaux RiPP à activité biologique. »
« Maintenant que nous sommes à l’ère de la génomique, nous réalisons à quel point ces groupes de produits naturels sont répandus, en particulier chez les bactéries », a déclaré Shravan Dommaraju, titulaire d’un doctorat. candidat dans le laboratoire de Mitchell. « Nous sommes essentiellement dans cette phase d’exploration, où nous savons qu’ils sont là-bas, et le but est de voir combien nous pouvons en trouver car nous ne savons pas encore ce qu’ils font tous. »
Dans un nouvel article des laboratoires Zhao et Mitchell, avec les co-premiers auteurs Dommaraju et Hengqian Ren, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhao, l’équipe a rapporté la découverte d’une nouvelle classe unique de RiPP, qu’ils ont nommée « daptides ». Contrairement à la plupart des peptides qui ont une extrémité chargée positivement et une extrémité chargée négativement, ou « extrémité », les daptides ont à la place deux extrémités chargées positivement.
« Un manuel dirait qu’un peptide a une extrémité amino et une extrémité carboxy, mais dans notre cas, nous avons trouvé un peptide ribosomal qui a deux extrémités amino », a déclaré Ren. « Parce qu’il y a une charge positive aux deux extrémités, cela donne aux daptides des bioactivités intéressantes. »
Les chercheurs ont expliqué que même si ce changement dans les extrémités peut sembler faible, la charge positive des deux extrémités donne aux daptides le potentiel d’interagir avec des objets chargés négativement, tels que les membranes cellulaires. Pour tester cela, l’équipe a ajouté les daptides à un plat avec des globules rouges. Ils ont découvert que les daptides montraient une activité hémolytique, ce qui signifie qu’ils perturbaient les membranes des cellules, provoquant leur rupture. Zhao a expliqué que l’activité hémolytique est rarement trouvée dans les RiPP avec lesquels l’équipe travaille, et que l’activité antimicrobienne ou antifongique est beaucoup plus courante.
« Nous pensions à la structure et à la volonté évolutive de faire perdre à un peptide l’extrémité C-terminale chargée négativement et de la remplacer par un groupe amino chargé positivement », a déclaré Dommaraju. « D’un point de vue technique, si vous vouliez créer un peptide qui peut interagir avec une membrane, vous y colleriez un tas de charges positives. Et c’est en fait ce qui nous a amenés à tester l’activité hémolytique parce que nous savions qu’il avait ce modification qui devrait permettre cela. »
Trouver de nouveaux RiPP n’est pas une tâche facile. Les chercheurs utilisent d’abord la bioinformatique pour comparer et tenter d’identifier des grappes de gènes susceptibles de produire des RiPP potentiels. Ensuite, ils clonent le cluster ciblé et le placent dans un organisme à exprimer, après quoi ils peuvent vérifier les produits naturels produits. Même après avoir obtenu les produits, il reste la question de savoir ce que font les produits et comment ils sont produits, qui peuvent être testés avec des tests biologiques, des knockouts de gènes et une variété d’autres tests. Mais Dommaraju dit que les laboratoires jouent chacun à leur expertise lorsqu’ils collaborent pour rationaliser le processus.
« Donc, sur un projet comme celui-ci, le laboratoire Mitchell fait de la bioinformatique et identifie des grappes de gènes sympas, et le laboratoire Zhao met en place le système de biologie synthétique et va exprimer ces peptides et les fabriquer », a expliqué Dommaraju. « Ainsi, nous sommes en mesure de partager avec l’équipe notre expérience et les éléments qui se chevauchent pour amener le projet à la ligne d’arrivée. »
Les chercheurs disent que les prochaines étapes consistent à comprendre les fonctions enzymatiques des daptides et à utiliser l’analyse bioinformatique pour voir s’il existe d’autres combinaisons de gènes associées à la production de daptides. Les orientations pour d’autres études à l’avenir comprennent l’exploration des utilisations thérapeutiques potentielles des daptides et le rôle écologique que la production de daptide a pour les bactéries qui les fabriquent. Cependant, Ren et Dommaraju ont tous deux convenu que leurs intérêts dans les futures expériences avec les RiPP s’étendent au-delà des daptides, car il reste encore d’autres classes à découvrir.
« Nous souhaitons utiliser notre outil bioinformatique pour trouver autant de classes de produits naturels que possible », a déclaré Ren. « Il existe actuellement une si grande frontière de classes RiPP non découvertes, et c’est excitant d’être à la pointe, de découvrir de nouvelles possibilités. Il y a toujours une chance que le prochain produit que vous trouverez soit un développement thérapeutique majeur ! »
Le papier est publié dans Communication Nature.
Plus d’information:
Hengqian Ren et al, L’exploitation minière du génome dévoile une classe de peptides ribosomiques avec deux extrémités amino, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37287-1